(57)【要約】【課題】Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させることができるスピン注入源デバイスの製造方法及びそれによって製造されるスピン注入源デバイスを提供する。【解決手段】スピン注入源デバイスの製造方法において、Ｓｉ基板１の清浄表面を加熱した状態で、ＣａＦ2 膜２をエピタキシャル成長により形成する工程と、次に、前記ＣａＦ2 膜２上に４００℃でＳｉ３とＦｅ４を同時に照射する分子線エピタキシー法によりＦｅ3 Ｓｉ膜５を形成する工程とを施す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板上にＣａＦ2 膜を介して積層されるＦｅ3 Ｓｉ膜を有することを特徴とするスピン注入源デバイス。
【請求項２】
Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＣａＦ2 膜を介して、エピタキシャルＦｅ3 Ｓｉ膜が積層された金属／絶縁体／半導体構造を有することを特徴とするスピン注入源デバイス。
【請求項３】
（ａ）Ｓｉ基板の清浄表面を加熱した状態で、ＣａＦ2 膜をエピタキシャル成長により形成する工程と、
（ｂ）前記ＣａＦ2 膜上に分子線エピタキシー法によりＦｅ3 Ｓｉ膜を形成する工程とを順次施すことを特徴とするスピン注入源デバイスの製造方法。
【請求項４】
（ａ）超高真空下でＳｉ基板の清浄表面を加熱した状態で、エピタキシャル成長により厚さ１０ｎｍを超えないＣａＦ2 膜を形成し、
（ｂ）前記ＣａＦ2 膜上に加熱した状態でＳｉとＦｅを同時に照射する分子線エピタキシー法によりＦｅ3 Ｓｉ膜を１０〜２００ｍｍ成長させることを特徴とするスピン注入源デバイスの製造方法。
【請求項５】
請求項４記載のスピン注入源デバイスの製造方法において、前記ＦｅとＳｉの蒸着速度は、それぞれ１．０〜４．０ｎｍ／ｍｉｎ、１．０〜６．０ｎｍ／ｍｉｎとすることを特徴とするスピン注入源デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピン注入源デバイス及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体と強磁性体とのヘテロ接合を形成することはエレクトロニクスの世界にとって非常に大きな意味を持つものである。しかしこれまでの研究においては、ＧａＡｓ等の化合物半導体を用いて形成を行うものが殆どであり、産業応用上重要なＳｉ基板上への形成に関する研究は、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ−Ａｃｃｅｓｓ−Ｍｅｍｏｒｙ）が出現するまであまりなかった。
【０００３】
このＭＲＡＭは、その高集積化において、トンネル磁気抵抗比の向上が不可欠であり、強磁性体／絶縁体／強磁性金属へテロ構造のトンネル接合をエピタキシャルで成長することでトンネル障壁を通過する際のスピン散乱が抑制され、トンネル磁気抵抗比が向上することが分かってきている（下記非特許文献１参照）。
【０００４】
また、スピン偏極したキャリアを半導体発光素子に注入することで、左回り又は右回りの円偏光を取り出すことができ、スピンの情報を光に変えることも可能である。しかしながら、このようなデバイスも、これまでＧａＡｓをベースとするＬＥＤに強磁性金属（Ｆｅ3 Ｓｉ）や強磁性半導体である（Ｇａ，Ｍｎ）Ａｓからスピン偏極キャリアを注入して実現されてはいる（下記非特許文献２〜５参照）が、まだＳｉベースでのデバイスは報告されていない。
【非特許文献１】Ｙｕａｓａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．４Ｂ（２００４）Ｌ５８８−５９０．
【非特許文献２】Ｆｉｅｄｅｒｌｉｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．８２，Ｎｏ．１３（２００３）２１６０−２１６２．
【非特許文献３】Ｊｏｎｋｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．１２（２０００）８１８０−８１８３．
【非特許文献４】Ｏｈｎｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ，Ｖｏｌ．４０２（１９９９）７９０−７９２．
【非特許文献５】Ｓｃｈｍｉｄｔ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ，Ｖｏｌ．６２，Ｎｏ．８（２０００）Ｒ４７９０−Ｒ４７９３．
【非特許文献６】Ｓｕｅｍａｓｕ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．１０Ｂ（２０００）Ｌ１０１３−Ｌ１０１５．
【非特許文献７】Ｔａｋａｕｊｉ  ｅｔ  ａｌ．，ｔｏ  ｂｅ  ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ．Ｖｏｌ．４４，４Ｂ（２００５）．
【非特許文献８】Ｙｏｓｈｉｔａｋｅ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．７Ｂ（２００３）Ｌ８４９−Ｌ８５１．
【非特許文献９】Ｈｅｒｆｏｒｔ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ２２（４），（２００４）２０７３−２０７８．
【非特許文献１０】Ｔ．Ｍａｎａｇｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．８１，Ｎｏ．４．（２００２）６９４−６９６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
これまでにも、強磁性体であるＦｅ3 ＳｉをＳｉ基板上に堆積しようとする試みは既になされているが（上記非特許文献８参照）、Ｓｉ基板上に直接堆積したのでは、Ｆｅ3 ＳｉとＳｉ基板界面にＦｅＳｉ等の副生成物が形成されるという問題があった。今のところ石英上に多結晶Ｆｅ3 Ｓｉを成長したとの報告はあるものの、エピタキシャル成長したとの報告はなされていない。ＧａＡｓ基板上においては、Ｆｅ3 ＳｉをＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長したとの報告がある（上記非特許文献９参照）。
【０００６】
また、金属層／絶縁層／半導体層〔強磁性金属（Ｃｏ，Ｆｅ，及びＮｉＦｅ）／Ａｌ2 Ｏ3 ／ＡｌＧａＡｓ〕を用いたスピン偏光発光ダイオードについて報告されている。
【０００７】
このように、Ｓｉ基板上に金属を積層すると必ず界面反応が起きて副生成物ができてしまい、これがスピンエレクトロニクス分野において、シリコンを基板に用いることができない大きな原因であった。
【０００８】
本発明は、上記状況に鑑みて、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長させることができるスピン注入源デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕スピン注入源デバイスにおいて、Ｓｉ基板上にＣａＦ2 膜を介して積層されるＦｅ3 Ｓｉ膜を有することを特徴とする。
【００１０】
〔２〕スピン注入源デバイスにおいて、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＣａＦ2 膜を介して、エピタキシャルＦｅ3 Ｓｉ膜が積層された金属／絶縁体／半導体構造を有することを特徴とする。
【００１１】
〔３〕スピン注入源デバイスの製造方法において、Ｓｉ基板の清浄表面を加熱した状態で、ＣａＦ2 膜をエピタキシャル成長により形成する工程と、前記ＣａＦ2 膜上に分子線エピタキシー法によりＦｅ3 Ｓｉ膜を形成する工程とを順次施すことを特徴とする。
【００１２】
〔４〕スピン注入源デバイスの製造方法において、超高真空下でＳｉ基板の清浄表面を加熱した状態で、エピタキシャル成長により厚さ１０ｎｍを超えないＣａＦ2 膜を形成し、前記ＣａＦ2 膜上に加熱した状態でＳｉとＦｅを同時に照射する分子線エピタキシー法によりＦｅ3 Ｓｉ膜を１０〜２００ｍｍ成長させることを特徴とする。
【００１３】
〔５〕上記〔４〕記載のスピン注入源デバイスの製造方法において、前記ＦｅとＳｉの蒸着速度は、それぞれ１．０〜４．０ｎｍ／ｍｉｎ、１．０〜６．０ｎｍ／ｍｉｎとすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、Ｓｉ基板上にエピタキシャル成長したＣａＦ2 を用いることで、この上に形成するＦｅ3 Ｓｉ膜とＳｉ基板との反応を避けてエピタキシャル成長することができ、界面に副生成物を形成することなく、結晶性のよいスピン注入源デバイスを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のスピン注入源デバイスの製造方法は、Ｓｉ基板の清浄表面を加熱した状態で、ＣａＦ2 膜をエピタキシャル成長により形成する工程と、次に、前記ＣａＦ2 膜上に４００℃でＳｉとＦｅを同時に照射する分子線エピタキシー法によりＦｅ3 Ｓｉ膜を形成する工程とを施す。よって、界面に副生成物を形成することなく、結晶性のよいスピン注入源デバイスを作製することができる。
【実施例】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１は本発明の実施例を示すスピン注入源デバイスの製造工程模式図である。
【００１８】
まず、図１（ａ）に示すように、超高真空下、Ｓｉ（１１１）基板１の清浄表面を６００℃に加熱した状態でＣａＦ2 膜 (厚さ８ｎｍ）２（ただし、ＣａＦ2 膜２の厚さは１０ｎｍを超えない）をＫセルより蒸着して、エピタキシャル成長する。ＣａＦ2 膜２のエピタキシャル成長は、図２に示す反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）像より確認している。図２から明らかなように、ストリーク像となっているので、Ｓｉ（１１１）基板上１にＣａＦ2 膜２がエピタキシャル成長したことが分かる。
【００１９】
次に、図１（ｂ）に示すように、このＣａＦ2 膜２上に４００℃でＳｉ３とＦｅ４を同時に照射する分子線エピタキシー法によりＦｅ3 Ｓｉ膜５′を５０〜１００ｍｍ（７５ｍｍが最適）成長させる。
【００２０】
このとき、Ｆｅ４とＳｉ３の蒸着速度は、それぞれ２．４ｎｍ／ｍｉｎ（１．０〜４．０ｎｍ／ｍｉｎでもよい），４．２ｎｍ／ｍｉｎ（１．０〜６．０ｎｍ／ｍｉｎでもよい）とすると、図１（ｃ）に示すように、Ｆｅ3 Ｓｉ膜５がエピタキシャル成長し、Ｆｅ3 Ｓｉ／ＣａＦ2 ／Ｓｉ基板構造を作製できる。
【００２１】
なお、４００℃という成長温度は、Ｆｅ４とＳｉ３を同時に照射する際の基板温度を３００℃から６００℃まで変化させ、形成された膜のＲＨＥＥＤ像およびＸ線回折測定を行い、４００℃のときにＦｅ3 Ｓｉがエピタキシャル成長できていたことから決定した。図３は、基板温度を（ａ）３００℃、（ｂ）４００℃、（ｃ）５００℃、（ｄ）６００℃としたＣａＦ2 膜上に、、ＦｅとＳｉを同時に蒸着した後のＲＨＥＥＤ像であり、基板温度が４００℃〔図３（ｂ）〕と５００℃〔図３（ｃ）〕の時に、ストリーク像となっているので、膜がエピタキシャル成長したことが分かる。
【００２２】
なお、上記に代わるＦｅ3 Ｓｉ膜の形成方法としては、ＦｅとＳｉの交互積層によるＦｅ3 Ｓｉのエピタキシャル成長や、Ｆｅ3 Ｓｉの焼結体のスパッタによることも考えられる。
【００２３】
図４は図３で成長温度を変えて堆積した本発明にかかるＦｅ3 Ｓｉ膜のθ−２θＸ線回折結果を示す図であり、４００℃の基板温度で成長させた時にＦｅ3 Ｓｉ膜５が（１１１）配向でエピタキシャル成長したことを示している。
【００２４】
図５は本発明にかかるＦｅ3 Ｓｉ（７５ｎｍ）／ＣａＦ2 （８ｎｍ）／Ｓｉ（１１１）基板構造の、室温におけるＫｅｒｒ回転角の磁場依存性を示す図である。この図に示すように室温におけるＫｅｒｒ回転角の磁場依存性を使って評価したところ、明瞭な四角形のヒステリシスループを得ることができた。このことは、形成したＦｅ3 Ｓｉ膜５が良好な磁気特性を持っていることを示している。
【００２５】
このように、ＣａＦ2 層を挟んだことで、Ｆｅ3 ＳｉとＳｉ基板との反応を抑え、かつエピタキシャル成長させることができた。
【００２６】
図６は本発明にかかるＦｅ3 Ｓｉ膜のＭＦＭ像（磁気力顕微鏡像）である。
【００２７】
この図から明らかなように、十分に強磁性特性を有していることが確認できた。
【００２８】
上記の通り、Ｓｉ基板上に強磁性金属Ｆｅ3 Ｓｉ、絶縁体ＣａＦ2 からなるＦｅ3 Ｓｉ／ＣａＦ2 ／Ｓｉ基板ヘテロ構造のエピタキシャル成長に成功した。この構造は、Ｆｅ3 Ｓｉ中に存在するスピン偏極キャリアをＳｉベースの電子デバイスへ注入するためのスピン注入源デバイスとして用いることができる。
【００２９】
なお、Ｓｉ，Ｆｅ3 Ｓｉ，ＣａＦ2 の格子不整合は大きくないため、Ｓｉ（００１）基板上においても同様の方法を用いてスピン注入源デバイスを作製することができる。
【００３０】
本発明のスピン注入源デバイスは、半導体と強磁性体との組み合わせであり、非常に広い分野に利用できる。
【００３１】
Ｓｉ基板上にエピタキシャルでスピン注入源を形成できたことで、Ｓｉへのスピン偏極キャリアの注入が可能となり、Ｓｉベースのスピンエレクトロニクスの分野を切り開くことになる。また、例えば、ＭＲＡＭでは、強磁性体／絶縁体／強磁性金属へテロ構造のトンネル接合をエピタキシャルで成長することで性能の格段の向上が期待される。
【００３２】
特に、本発明ではＳｉ基板上にエピタキシャル成長したＦｅ3 Ｓｉ／ＣａＦ2 ／Ｓｉ構造の上に、さらにＦｅ3 Ｓｉ／ＣａＦ2 を堆積することで、Ｆｅ3 Ｓｉ／ＣａＦ2 ／Ｆｅ3 Ｓｉ構造も作製可能なので、新しいＭＲＡＭ材料となり得る。
【００３３】
また、本発明者がこれまで開発してきたＳｉ／βー ＦｅＳｉ2 ／Ｓｉ構造発光素子（上記非特許文献６，７参照）の電極部に本発明のＦｅ3 Ｓｉ／ＣａＦ2 ／Ｓｉ構造のスピン注入源デバイスを組み合わせることで、磁性体内にあるスピンの情報を右回り又は左回りの円偏光として取り出すことができる。
【００３４】
このように、これまでになかったＳｉベースの発光素子を実現させることができる。
【００３５】
特に、磁気的／結晶工学的な特性を制御するために、Ｆｅ3 ＳｉにＣｏ，Ｎｉを始めとして３ｄ，４ｆ遷移金属の少なくとも１種以上を添加することが可能である。また、電気的絶縁と結晶工学的特性を制御するために、Ｓｒ、ＢａなどII族元素やＣｄのうち少なくとも一つの元素を添加することは、現状の技術レベルからしてデバイス作製に有意義である。ここで、Ｃｄを加えると、ＣａＣｄＦ2 とすることができ、ＣａＦ2 の禁制帯幅を制御できる利点がある。また、ＳｒやＢａはＣａと同じII族であるので、やはり同様の効果が期待される。
【００３６】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明のスピン注入源デバイスの製造方法及びそれによって製造されるスピン注入源デバイスは、Ｓｉをベースとした磁気半導体メモリーやこれと組み合わせた発光素子として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例を示すスピン注入源デバイスの製造工程模式図である。
【図２】ＣａＦ2 膜（８ｎｍ）成長後の反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）像を示す図である。
【図３】異なる基板温度のＣａＦ2 膜（８ｎｍ）上にＦｅとＳｉを同時に蒸着した後の反射高速電子線回折（ＲＨＥＥＤ）像を示す図である。
【図４】図３で成長温度を変えて堆積した本発明にかかるＦｅ3 Ｓｉ膜のθ−２θＸ線回折結果を示す図である。
【図５】本発明にかかるＦｅ3 Ｓｉ（７５ｎｍ）／ＣａＦ2 （８ｎｍ）／Ｓｉ（１１１）基板構造の、室温におけるＫｅｒｒ回転角の磁場依存性を示す図である。
【図６】本発明にかかるＦｅ3 Ｓｉ膜のＭＦＭ像（磁気力顕微鏡像）である。
【符号の説明】
【００３９】
１    Ｓｉ（１１１）基板
２    ＣａＦ2 膜 (厚さ１０ｎｍ未満）
３    Ｓｉ
４    Ｆｅ
５，５′    Ｆｅ3 Ｓｉ膜
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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